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Tempexaturkompensierte Z-Diodenanordnung Die Erfindung beschäftigt
sich mit einem Problem, das bei der Verwendung der aus der DT-OS und der dazugehörigen
DT-AS 1 589 707 bekannten temperaturkompensierten Z-Diodenanordnung auftritt.
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Diese ist in Form einer integrierten Halbleiterschaltung aufgebaut,
die aus mehreren in einem gemeinsamen Halbleiterkörper angeordneten und durch auf
gebrachte Metallisierungen untereinander verbundenen Transistorstrukturen besteht.
Dabei sind die Basis-Emitter-pn-Übergänge der Transistecstrukturen bezüglich der
Richtug des im Betrieb fließenden Gesamtstroms derart in Reihe geschaltet, daß ein
Teil davon in Sperrichtung bis ins Abbruchgebiet als Z-Dioden und die restlichen
in Flußrichtung als Flußdioden betrieben sind. Bei einer Ausführungsform dieser
bekannten Z-Diodenanordnung sind die Basen der als Flußdioden wirkenden Transistorstrukturen
über Widerstände mit einem der äußeren Anschlüsse verbunden.
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Diese temperaturkompensierten Z-Diodenanordnungen weisen einen Temperaturkoeffizienten
auf, der ihre Verwendung in kapazitätsdiodenabgestimmten Rundfunk- und Fernsehempfängern
ermöglicht, wo sie die zur Abstimmung der Rapazitätsdioden erforderliche temperaturstabile
und konstante Vorspannung erzeugen. Hierbei werden sie wie eine übliche Z-Diode
betrieben, d. h. es wird mittels eines Vorwiderstandes, der einseitig an einer nichtstabilisierten
Gleichspannungsquelle liegt, eine übliche Parallelstabilisierungsschaltung gebildet.
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Obwohl sich entsprechend dem bekannten Prinzip hergestellte temperaturkompensierte
Z-Diodenanordnungen in der Praxis vielfach bewährt haben, weisen sie doch noch einige
verbesserungsbedürftige Nachteile auf. So fließt bei ihnen der Hauptanteil des Gesamtstroms
über die als Flußdioden betriebenen Transistorstrukturen, deren Basis-Emitter-Schwellspannunyen
zusammen mit den in Sperrrichtung betriebenen Transistorstrukturen und deren Abbruchspannung
die Gesamtreferenzspannung der Z-Diodenanordnung bestimmen.
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Der für die Stabilisierungseigenschaften einer Z-Diodenanordnung charakteristische
differentielle Widerstand kann aufgrund der eben geschilderten Tatsache bei den
bekannten Anordnungen, selbst wenn der Stromverstärkungsfaktor der als Flußdioden
betriebenen Transistorstrukturen sehr groß gewählt wird, nicht kleiner als der Quotient
aus der Temperaturspannung (ca. 25 mV) und dem erwähnten Hauptanteil des Gesamtstroms
werden, da diese Anordnungen sinnvollerweise so dimensioniert sind, daß der Hauptstrom
unyefähr dem Gesamtstrom entspricht, während der in den als Z-Dioden betriebenen
Transistorstrukturen fließende Nebenstrom relativ niedrig ist. Da der Stromverstärkungsfaktor
von in einer Massenproduktion hergestellten Transistorstrukturen bei einem mittleren
Wert liegt und der Stromverstärkungsfaktor in den Wert des differentiellen Widerstandes
der Z-Diodenanordnung mit eingeht, liegt
der typische Wert des differentiellen
Widerstandes der bekannten Z-Diodenanordnungen bei ungefähr dem zweifachen Quotienten
aus der Temperaturspannung und dem in der Z-Diodenanordnung fließenden Gesamtstrom.
Bei einer von der Anmelderin hergestellten Serie solcher Z-Diodenanordnungen beträgt
der differentielle Widerstand ca. 12kl.
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Dieser als relativ hoch zu betrachtende differentielle Widerstand
ist für den Anwender unbefriedigend, denn eine Anderung des Gesamtstroms von z.
B. 5 mA, die durch Netzspannungsschwankungen hervorgerufen sein kann, führt zu einer
Spannungsänderung der stabilisierten Spannung von ca. 60 mV. Diese durch Netzspannungsschwankungen
bedingte Änderung entspricht aber andererseits auch derjenigen Anderung, die durch
eine Temperaturänderung der Z-Diodenanordnung von 600 hervorgerufen wird, da die
erwähnten von der Anmelderin hergestellten temperaturkompensierten Z-Diodenanordnungen
im Mittel einen absoluten Temperaturgang von etwa 1 mV/OC aufweisen. Der unbefriedigend
hohe differentielle Widerstand hat also auf die stabilisierte Spannung einen wesentlich
größeren Einfluß, als es Temperaturänderungen haben, denn am üblichen Verwendungsort
der Z-Diodenanordnungen in Rundfunk- und Fernsehgeräten treten Temperaturänderungen
von 60°C im allgemeinen nicht auf.
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Ein weiterer Nachteil der bekannten Z-Diodenanordnungen besteht darin,
daß der Temperaturkoeffizient vom erwähnten durch die als Flußdioden betriebenen
Transistorstrukturen fließenden Hauptstrom mit abhängig ist, da die Stromdichte
in diesen Transistorstrukturen den Temperaturkoeffizienten von deren Basis-Emitter-Spannung
bestimmt. Somit ist aber auch der Temperaturkoeffizient der Z-Diodenanordnung vom
Gesamtstrom abhängig.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, die aufgezeigten Nachteile
zu beseitigen und die bekannten temperaturkompensierten Z-Diodenanordnungen dahingehend
zu verbessern, daß ihr differentieller
Widerstand stark vermindert
wird. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen
und besonders vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet
und werden nun zusammen mit der Erfindung anhand der Figuren der Zeichnung näher
erläutert.
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Fig. 1 zeigt das Schaltbild eines Beispiels einer bekannten Z-Diodenanordnung,
und Fig. 2 zeigt das Schaltbild einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Z-Diodenanordnung.
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In Fig. 1 ist als Beispiel das Schaltbild einer bekannten Z-Diodenanordnung
gezeigt, wie sie in der eingangs erwähnten Offenlegungsschrift beschrieben ist.
Sie besteht aus den in Flußrichtung betriebenen Transistorstrukturen TF1, TF2, TF3
und den in Sperrichtung als Z-Dioden betriebenen Transistorstrukturen TZ1, TZ2.
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Sämtliche Kollektoren dieser Transistorstrukturen liegen am ersten
äußeren Anschluß I ebenso wie die Basis der Flußdioden-Transistorstruktur TF3. Die
einzelnen Transistorstrukturen sind mit ihren Basis-Emitter-Strecken sämtlich in
Reihe geschaltet, so daß der Emitter der Flußdioden-Transistorstruktur TF2 am zweiten
äußeren Anschluß II liegt. Ferner liegt die Basis der Flußdioden-Transistorstruktur
TF1 über den Widerstand R1 und die Basis der Flußdioden-Transistorstruktur TF2 über
den Widerstand P2 am zweiten äußeren Anschluß II.
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Der in dieser Anordnung fließende Gesamtstrom 1 teilt sich in den
g Hauptstrom 1h und den Nebenstrom 1 auf. Der Hauptstrom 1h fließt n über die Flußdioden-Transistorstrukturen
TF1, TF2, während der Nebenstrom 1 über den restlichen Teil der Schaltuny fließt.
Bei n dieser Schaltung ergeben sich somit die eingangs geschilderten und ausführlich
erörterten Nachteile.
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In Fig. 2 ist das Schaltbild einer Ausführungsform der Erfindung gezeigt.
Von den Bauelementen der Fig. 1 enthält die Fig. 2 die Flußdioden-Transistorstrukturen
TF1, TF3, ferner die Z-Dioden-Transistorstruktur TZ1 und den Widerstand R1. Ferner
ist die weitere Flußdioden-Transistorstruktur TF4 vorgesehen, die zwischen der Flußdioden-Transistorstruktur
TF3 und der Z-Dioden-Transistorstruktur TZ1 angeordnet ist und hinsichtlich des
Wertes der zu stabilisierenden Spannung die in Fig. 2 fehlende Flußdioden-Transistorstruktur
TF2 nach Fig. 1 ersetzen soll.
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Bei der Anordnung nach Fig. 2 ist nun entsprechend der Erfindung ein
Schaltungsteil vorgesehen, der den Hauptstrom 1h überninunt, und die Flußdioden-Transistorstruktur
TF1 ist vom konstanten Teil 1 c des Gesamtstroms 1 durchflossen. Als den Hauptstrom
Ih führender g Schaltungsteil dient die zu den restlichen Transistorstrukturen komplementäre
Transistorstruktur T, deren Emitter am ersten äußeren Anschluß I und deren Kollektor
am zweiten äußeren Anschluß II angeschlossen ist, während deren Basis einerseits
über den Widerstand R am ersten äußeren Anschluß I und andererseits am Kollektor
der Flußdioden-Transistorstruktur TF1 liegt.
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Somit fließt der Hauptstrom Ih, der bei der bekannten Anordnung nach
Fig. 1 noch durch die Flußdioden-Transistorstrukturen TF1, TF2 fließt, nunmehr nicht
mehr durch diese Bauelemente, sondern wird an diesen sozusagen vorbeigeführt. Außerdem
wird durch die konstante Basis-Emitter-Spannung der komplementären Transistorstruktur
T in Verbindung mit dem Widerstand R für die Flußdioden-Transistorstruktur TF1 der
konstante Stron 1 erzeugt, so daß betriebsc spannungsänderungsbedingte Anderungen
des Gesamtstroms 1g nicht mehr die eingangs geschilderten Nachteile hervorrufen
können.
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Der Vorteil der Erfindung läßt sich wie folgt veranschaulichen.
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Der konstante Strom Ic betrage ein Zehntel des Hauptstroms Ih.
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Der Widerstand R entspreche dem Dreihundertfachen des differentiellen
Widerstandes der komplementären Transistorstruktur T, also dem dreihundertfachen
Quotienten aus Temperaturspannung und Hauptstrom Ih Ferner seien der Stromverstärkungsfaktor
der komplementären Transistorstruktur T und der der Flußdioden-Transistorstruktur
TF1 groß gegen eins, und die Temperaturspannungen dieser beiden Transistoren seinen
einander gleich. Unter diesen Voraussetzungen läßt sich zeigen, daß der differentielle
Widerstand der Anordnung nach Fig. 2 nur noch etwa 3 % des differentiellen Widerstandes
der Anordnung nach Fig. 1 beträgt. Es läßt sich nämlich folgende Formel ableiten:
wobei mit rz der differentielle Widerstand und mit UT die bereits mehrfach erwähnte
Temperaturspannung bezeichnet sind.
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Als komplementäre Transistorstruktur kann vorteilhafterweise ein sogenannter
Substrattransistor verwendet werden, d. h. eine Trar.-sistorstruktur, bei der die
sonst in mit Isolierwannen versehenen integrierten Schaltungen vorhandene sogenannte
"vergrabene Schicht" weggelassen ist, um die in vertikaler Richtung bestehende Transistorwirkung
zwischen Substrat, bei npn-Transistoren als Kollektorzone wirkender Zone und bei
npn-Transistoren als Basiszone wirkender Zone auszunützen. Solche Substrattransistoren
haben den für den erwähnten Zweck ausreichend großen Stromverstärkungsfaktor. Anstatt
dieses sogenannten Substrattransistors können jedoch auch als pnp-Transistoren wirkende
Verbundtransistoren entsprechend der DT-AS 1 294 557 verwendet werden.
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Die erfindungsgemäße Ausbildung ist nicht auf die Anwendung bei lediglich
zwei äußere Anschlüsse aufweisenden temperaturkompensierten
Z-Diodenanordnungen
beschränkt, sondern sie kann auch bei solchen Z-Diodenanordnungen mit Vorteil verwendet
werden, die entsprechend der eigenen älteren Anmeldung P 24 52 107.1-33 derart ausgebildet
sind, daß sie einen dritten äußeren Anschluß aufweisen, über den ein lineares oder
nichtlineares Bauelement der Anordnung parallelgeschaltet werden kann, damit ein
Teil der in der temperaturkompensierten Z-Diodenanordnung entstehenden Verlustleistung
in das äußere Bauelement verlegt wird.
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3 Patentansprüche 1 Blatt Zeichnung mit zwei Figuren